Химиялық тепе-теңдікті талқылайтын мысал сұрақтар
Химиялық тепе-теңдік - химиядағы маңызды ұғым, ол химиялық реакциядағы тура және кері реакциялардың жылдамдықтары тең болатын күйді сипаттайды. Бұл жағдайда реактивтер мен өнімдердің концентрациясы тұрақты болып қалады. Бұл мақалада химиялық тепе-теңдік ұғымын түсінуге көмектесетін бірнеше мысал есептері мен олардың шешімдері келтірілген.
Химиялық тепе-теңдіктің негізгі түсініктері
Химиялық тепе-теңдік химиялық реакция қайтымды немесе екі бағытта да жүре алған кезде пайда болады. Қайтымды реакцияны келесідей көрсетуге болады:
\[ \text{aA} + \text{bB} \rightleftharpoons \text{cC} + \text{dD} \]
Қайда:
– А және В реактивтер,
– C және D – өнімдер,
– a, b, c және d – әрбір заттың стехиометриялық коэффициенттері.
Тепе-теңдік орнаған кезде, тура реакцияның жылдамдығы (өнімдер түзеді) кері реакцияның жылдамдығына тең (реактивтер түзеді). Бұл кезде реакция динамикалық түрде жалғасса да, барлық заттардың концентрациясы өзгеріссіз қалады.
Тепе-теңдік тұрақтысы (K)
Жоғарыдағы реакция үшін тепе-теңдік константасы \(K_c\) келесідей өрнектелуі мүмкін:
\[ K_c = \frac{{[\text{C}]^c [\text{D}]^d}}{{[\text{A}]^a [\text{B}]^b}} \]
Мұндағы [X] - X затының молярлық концентрациясы. Газ тепе-теңдігінде парциалды қысымды қолданған кезде тепе-теңдік константасы \(K_p\) түрінде өрнектеледі.
Химиялық тепе-теңдік мысал сұрақтары
1-сұрақ: Концентрация деректерімен реакциялар
Белгілі бір температурадағы 1 литрлік ыдысқа 1 моль N₂ және 3 моль H₂ мөлшері салынады. Реакция келесідей жүреді:
\[ \text{N}_2(g) + 3\text{H}_2(g) \rightleftharpoons 2\text{NH}_3(g) \]
Тепе-теңдік орнағаннан кейін 0,8 моль N₂ табылды. Тепе-теңдік константасын есептеңіз \(K_c\).
Талқылау:
1. Концентрацияның өзгерісін анықтаңыз:
Бастапқыда мольдер саны:
– \([\text{N}_2]_{бастапқы} = 1 \, \text{mol/L}\]
– \([\text{H}_2]_{бастапқы} = 3 \, \text{mol/L}\]
– \([\мәтін{NH}_3]_{бастапқы} = 0 \, \мәтін{моль/л}\]
Тепе-теңдік кезінде моль саны:
– \([\text{N}_2] = 0,8 \, \text{моль/л}\]
N₂ өзгерісі = 1 – 0,8 = 0,2 моль/л
2. Өзгерістердің стехиометриясы:
\[
\text{N}_2(g) + 3\text{H}_2(g) \rightleftharpoons 2\text{NH}_3(g)
\]
Сонымен, H₂ және NH₃ үшін өзгерістер:
– \([\text{H}_2] = 3 \cdot 0,2 = 0,6 \, \text{mol/L}\]
– \([\text{NH}_3] = 2 \cdot 0,2 = 0,4 \, \text{mol/L}\]
Мольдік тепе-теңдік:
– \([\text{H}_2] = 3 – 0,6 = 2,4 \, \text{mol/L}\]
– \([\text{NH}_3] = 0 + 0,4 = 0,4 \, \text{mol/L}\]
3. \(K_c\) есептеңіз:
\[
K_c = \frac{[\text{NH}_3]^2}{[\text{N}_2][\text{H}_2]^3}
\]
Мәндерді ауыстырыңыз:
– \([\мәтін{NH}_3] = 0,4 \, \мәтін{моль/л}\]
– \([\text{N}_2] = 0,8 \, \text{моль/л}\]
– \([\text{H}_2] = 2,4 \, \text{mol/L}\]
\[
K_c = \frac{(0,4)^2}{(0,8)(2,4)^3}
\]
\[
= \frac{0,16}{0,8 \cdot 13,824}
\]
\[
= \frac{0,16}{11,0592}
шамамен 0,0145
\]
2-сұрақ: Зейіннің өзгеруінің әсері
Жабық ыдыста N₂O₄(g) мөлшері 2NO₂(g)-ге ыдырайды. Белгілі бір температурада тепе-теңдік константасы \(K_c\) 0,36-ға тең. Егер N₂O₄(g) бастапқы концентрациясы 1,0 М болса және басында NO₂(g) болмаса, тепе-теңдік кезіндегі NO₂(g) концентрациясын есептеңіз.
Талқылау:
1. ICE кестесін пайдалану:
\[
\begin{align}
\text{Реакция:} & \ \ \text{N}_2\text{O}_4(g) \rightleftharpoons 2\text{NO}_2(g) \\
\text{Бастапқы:} & \ \ [\text{N}_2\text{O}_4]_{0} = 1.0 \, \text{M}, \ [\text{NO}_2]_{0} = 0 \\
\text{Өзгерту:} & \ \ [\text{N}_2\text{O}_4]_{eq} = 1.0 – x, \ [\text{NO}_2]_{eq} = 2x \\
\end{align}
\]
2. \(K_c\) арқылы қосылу:
\[
K_c = \frac{[\text{NO}_2]^2}{[\text{N}_2\text{O}_4]}
= \frac{(2x)^2}{1.0 – x}
= \frac{4x^2}{1 – x}
\]
3. x мәнін анықтаңыз:
\[
K_c = 0,36
\]
Сонымен, ауыстыру:
\[
0,36 = \frac{4x^2}{1 – x}
\]
Айқас көбейту:
\[
0,36(1 – x) = 4x^2
\]
\[
0,36 – 0,36x = 4x^2
\]
Барлығын бір жаққа жылжытыңыз:
\[
4x^2 + 0,36x – 0,36 = 0
\]
4. Квадрат теңдеулерді шешу:
Квадраттық формуланы қолданыңыз:
\[
x = \frac{-b \pm \sqrt{b^2 – 4ac}}{2a}
\]
a = 4, b = 0,36 және c = -0,36 болғанда:
\[
x = \frac{-0,36 \pm \sqrt{(0,36)^2 – 4(4)(-0,36)}}{2(4)}
\]
\[
x = \frac{-0,36 \pm \sqrt{0,1296 + 5,76}}{8}
\]
\[
x = \frac{-0,36 \pm \sqrt{5,8896}}{8}
\]
Концентрация теріс болуы мүмкін емес болғандықтан, біз оң түбірді таңдаймыз:
\[
x \шамамен 0,36
\]
5. NO₂ концентрациясы:
\[
[\text{NO}_2]_{eq} = 2x = 2 \cdot 0,36 = 0,72 \, \text{M}
\]
Қорытынды
Химиялық тепе-теңдікті түсіну химиялық жүйенің белгілі бір жағдайларда қалай әрекеттесетінін болжаудың кілті болып табылады. Тәжірибе және мұқият түсіну арқылы біз осы тұжырымдамаға қатысты мәселелерді шеше аламыз, жүйенің соңғы күйін сипаттай аламыз және тұйық жүйедегі химиялық реакциялардың динамикасын түсіне аламыз. Тепе-теңдік константасын (K_c) тану және пайдалану тепе-теңдіктегі жүйедегі барлық түрлердің концентрациясын болжауды жеңілдетеді.
